微波輔助稀酸降解秸稈的工藝研究

朱李妍，楊曉瑞，王 偉，梁金花，朱建良

(南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211800)

微波輔助稀酸降解秸稈的工藝研究

朱李妍，楊曉瑞，王 偉，梁金花，朱建良

(南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 211800)

為提高秸稈的利用率，我們提出了微波法輔助稀硫酸降解稻草秸稈，并用單因素法考察了微波輻射時(shí)間、微波輻射功率、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固液比等對(duì)秸稈產(chǎn)糖率和降解率的影響。結(jié)果表明：秸稈在常壓下固液比為1∶10(質(zhì)量比)，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，微波輻射功率130 W，反應(yīng)輻射時(shí)間10 min時(shí)為最佳反應(yīng)條件，在該條件下產(chǎn)糖率為21.75%、降解率為50%。與常規(guī)法相比，微波法縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了原料的利用率。對(duì)秸稈降解殘余物掃描電鏡(SEM)和比表面及孔徑分析表明反應(yīng)后秸稈的表面結(jié)構(gòu)遭到了破壞，比表面積和孔徑也有所增大。

秸稈；水解；微波輔助；稀硫酸；產(chǎn)糖率；降解率

秸稈是一種重要的生物質(zhì)能源，其主要成分是木質(zhì)纖維素，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互連接組成，此外還有少量的蛋白質(zhì)和灰分[1]。纖維素是以D-葡萄糖為單元通過β-1,4-糖苷鍵聯(lián)接而成的線狀高分子化合物[2]；半纖維素是由不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，這些糖之間以氫鍵、共價(jià)鍵、醚鍵或酯鍵相互作用構(gòu)成單糖多聚體[3]。木質(zhì)素是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的天然高分子芳香族聚合物，其結(jié)構(gòu)單元之間通過碳-碳鍵和醚鍵相互連接[4]。在植物細(xì)胞壁中半纖維素和木質(zhì)素以共價(jià)鍵聯(lián)接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維素則聚集成絲鑲嵌其中，從而形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保護(hù)著細(xì)胞。由于秸稈的纖維含量較高，難以被動(dòng)物直接消化，使得秸稈的口感差，消化率低；而經(jīng)過適當(dāng)處理后，能降低秸稈中木質(zhì)纖維素的含量，極大的改善了秸稈的適口性，并提高了其消化率[5]。

目前秸稈降解的方法有很多，如物理法、化學(xué)法、生物法等[6]。生物法是秸稈飼料化最常見的傳統(tǒng)方法，主要有酶解和微生物發(fā)酵等。shrivastava[7]等利用真菌發(fā)酵秸稈，提高了飼料中的蛋白質(zhì)含量及消化率。lalak[8]等利用白腐真菌將麥草中半纖維素與木質(zhì)素的降解率分別達(dá)到29.1%和35.4%。生物法處理?xiàng)l件溫和、無污染，但時(shí)間周期較長，且難以工業(yè)化。堿法主要溶解木質(zhì)素使其醚鍵斷裂，削弱半纖維素與木質(zhì)素直接的氫鍵，使纖維素結(jié)晶度降低[9]，但堿處理同時(shí)也會(huì)溶解部分營養(yǎng)物質(zhì)，造成原料損失。稀酸是目前處理秸稈較為成熟的方法之一，王達(dá)等[10]采用稀硫酸水解玉米芯中的半纖維素，并得出在110℃，1.5 h，固液比1∶10的條件下，總糖濃度為39.23 g/L。微波法也具有簡便、高效、無污染等優(yōu)點(diǎn)，Li[11]采用62.5%的CaCl2溶液用于微波預(yù)處理玉米秸稈，結(jié)果表明經(jīng)微波-CaCl2預(yù)處理后，半纖維素的降解率達(dá)到85.9%，纖維素結(jié)晶指數(shù)比未處理的秸稈下降了13.91%，酶法水解率為90.66%。Gavila[12]等在400 W，120℃時(shí)微波輻射30 min到4 h時(shí)輔助采用3%的稀硫酸對(duì)微晶纖維素進(jìn)行降解，此時(shí)纖維素的轉(zhuǎn)化率為78%。秸稈中的粗蛋白質(zhì)及可溶性糖作為飼料的重要營養(yǎng)成分，對(duì)于秸稈在畜牧業(yè)中的應(yīng)用起著關(guān)鍵作用。為了提高秸稈的產(chǎn)糖率和降解率，本研究將微波輔助酸法引入到秸稈降解反應(yīng)中，以產(chǎn)糖率和降解率為指標(biāo)，以稀酸為催化劑，研究了在微波輻射下降解秸稈的最佳反應(yīng)條件，并分析原料及降解殘余物組分并對(duì)其表征[13-15]，為后續(xù)糖的利用及殘余物發(fā)酵做飼料打下了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約糧食與保護(hù)環(huán)境的理念，且微波輔助酸法在植物秸稈飼料化技術(shù)研究進(jìn)展中鮮有報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

稻草秸稈取自南京江寧地區(qū)，成分組成見表1，將其剪成1～5 cm細(xì)條，自然風(fēng)干、用粉碎機(jī)將其粉碎后過40～60目篩網(wǎng)保存?zhèn)溆茫徊煌|(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸，自配；JP-300B型高速粉碎機(jī)；LC-20AT高效液相色譜儀；WBFY-201微波反應(yīng)器,最大功率為650W，功率調(diào)節(jié)范圍為0～100%；JSM-5900型掃描電子顯微鏡；JW-BK122W比表面及孔徑分析儀。

表1 稻草秸稈的主要成分

1.2 原理與方法

微波是一種高效、方便、清潔的能源[16]，微波輻射時(shí)，一方面電磁波內(nèi)部加熱使極性分子高頻振動(dòng)，平均動(dòng)能增加，導(dǎo)致溫度升高；另一方面離子化物質(zhì)在電磁場中因摩擦而產(chǎn)生熱效應(yīng)[17]。微波輔助酸預(yù)處理秸稈時(shí)，稀酸浸泡秸稈使其膨脹，會(huì)破壞秸稈硅化的蠟質(zhì)表面，打開半纖維素與木質(zhì)素的聯(lián)接，去除半纖維素，H+促使纖維素的結(jié)晶區(qū)發(fā)生改變來增加其可及度[18-20]。準(zhǔn)確稱取1.0 g秸稈粉末置于50 ml圓底燒瓶中，加入適量一定濃度的稀硫酸，攪拌均勻，放入WBFY-201微波反應(yīng)器中反應(yīng)，打開冷凝裝置、設(shè)定微波功率、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行水解反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，過濾，濾液中和后用HPLC測定糖含量，殘?jiān)粗林行院娓煞Q重測降解率。

1.3 分析與測定方法

1.3.1糖含量測定

采用島津LC-20AT液相色譜儀測定糖液濃度，檢測器為RID-10A示差折光，色譜柱為Shodex SC1011。以水為流動(dòng)相，柱溫80℃，流速1.0 ml/min，進(jìn)樣體積10 μl。待反應(yīng)結(jié)束后，將所得糖液過濾后過0.45 μm的水系濾膜，經(jīng)HPLC分析后得到的可溶性糖主要有木糖、葡萄糖和阿拉伯糖，利用外標(biāo)法計(jì)算產(chǎn)糖率以及秸稈的降解率,見公式(1)、公式(2)。

(1)

(2)

式中，H為產(chǎn)糖率，%；C為三種糖的總濃度，g/L；V為糖液的體積，ml；M、m分別為反應(yīng)前后秸稈的質(zhì)量，g；10-3為ml到L換算系數(shù)。

1.3.2成分分析

利用NREL法[21]測定原秸稈與最適反應(yīng)條件下秸稈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的成分含量。

1.3.3比表面積測定

采用 Brunauer Emmett Teller ( BET)法(液氮吸附法)測定原秸稈與最佳反應(yīng)條件下秸稈的比表面積、孔體積和孔徑[22]。

1.3.4SEM測定

將處理后的樣品放在掃描電子顯微鏡上利用高能電子束掃描，激發(fā)出各種物理信息，信息放大和顯示成像可以獲得樣品的表面形狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波輔助酸降解秸稈產(chǎn)糖的條件優(yōu)化

2.1.1微波時(shí)間對(duì)秸稈降解糖化的影響

在功率為130 W、固液比為1∶10、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的條件下，微波反應(yīng)時(shí)間分別為5、10、15、20和25 min時(shí)，考察微波輻射時(shí)間對(duì)微波輔助酸降解秸稈糖化的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)秸稈降解的效果具有顯著影響。在一定功率和固液比的條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，秸稈的降解率不斷升高，而秸稈的產(chǎn)糖率在反應(yīng)時(shí)間5～10 min時(shí)隨著降解率的升高而升高，在10 min時(shí)達(dá)到最大，為20.20%。但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過10 min，降解率不斷升高時(shí)，產(chǎn)糖率反而不斷地下降，25 min時(shí)下降至15.44%。這是由于反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，微波輔助稀酸降解秸稈不充分，秸稈的降解率較低，而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間較長時(shí)，降解生成的部分糖液會(huì)分解為糠醛和5HMF等副產(chǎn)物，導(dǎo)致糖濃度降低。綜上，在微波輔助酸降解秸稈糖化過程中預(yù)處理時(shí)間取10 min較宜。

圖1 微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)秸稈產(chǎn)糖率和降解率的影響

2.1.2微波功率對(duì)秸稈降解糖化的影響

在固液比為1∶10、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、反應(yīng)時(shí)間為10 min的條件下，考察微波功率對(duì)微波輔助酸降解秸稈糖化的影響，微波功率分別為65、130、195和260 W，結(jié)果見圖2。

圖2 微波功率對(duì)秸稈產(chǎn)糖率和降解率的影響

由圖2可知，微波功率對(duì)秸稈的降解影響較大。秸稈的降解率隨著微波功率的增大不斷升高。當(dāng)微波功率為65 W時(shí)糖的產(chǎn)率僅有4.12%，當(dāng)微波功率為130 W時(shí)糖的產(chǎn)率高達(dá)19.49%，繼續(xù)增大功率，產(chǎn)糖率卻急劇下降。這主要是微波功率越大，反應(yīng)器內(nèi)的溫度越高，硫酸越容易將秸稈及降解所產(chǎn)生的糖碳化，因此秸稈的降解率增高，產(chǎn)糖率反而減少。由此可得微波輔助酸降解秸稈糖化過程中適宜的微波功率為130 W。

2.1.3硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)秸稈降解糖化的影響

在固液比為1∶10、功率為130 W、反應(yīng)時(shí)間為10 min的條件下，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、8%、10%、15%、20%和25%時(shí)，考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微波輔助酸降解秸稈糖化的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，不同的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)秸稈降解的產(chǎn)糖率和降解率有一定的影響。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到20%，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，產(chǎn)糖率和降解率也不斷地增大，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到20%時(shí)，產(chǎn)糖率達(dá)到最大為20.36%，繼續(xù)增大硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，秸稈的降解率依然增大而產(chǎn)糖率出現(xiàn)下降趨勢。這是由于硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，不僅降解了半纖維素，同時(shí)還破壞了纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使之變的不穩(wěn)定，從而使部分低聚糖作為中間產(chǎn)物生成，秸稈的降解率增加。同時(shí)隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，pH值變小，糖液會(huì)向副產(chǎn)物方向不斷轉(zhuǎn)化，且生成的還原糖在高溫下易被碳化，從而使得產(chǎn)糖率出現(xiàn)降低的趨勢。所以在其他條件不變的情況下，微波輔助酸降解秸稈糖化時(shí)，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取20%為宜。

圖3 硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)秸稈產(chǎn)糖率以和降解率的影響

2.1.4固液比對(duì)秸稈降解糖化的影響

在功率為130 W、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、反應(yīng)時(shí)間為10 min、秸稈的粉碎目數(shù)為40～60目的條件下，考察了固液比對(duì)微波輔助酸降解秸稈糖化的影響，固液比分別為：1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14和1∶16，結(jié)果見圖4。

圖4 固液比對(duì)秸稈產(chǎn)糖率與降解率的影響

由圖4可知，在其他條件一定時(shí)，固液比為1∶10時(shí)降解反應(yīng)最佳。固液比過大或過小，產(chǎn)糖率都較低，而降解率的變化不大。這是由于固液比過大，反應(yīng)器里的料液過多，秸稈易團(tuán)聚一起，分布不均勻使產(chǎn)糖率下降；固液比過小，反應(yīng)體系的流動(dòng)性較差，傳質(zhì)效果不佳，產(chǎn)糖率不高。由此可得微波輔助酸降解秸稈糖化過程中的最適固液比為1∶10。2.1.5驗(yàn)證試驗(yàn)

由以上實(shí)驗(yàn)可知：微波輔助酸降解秸稈糖化的最適條件為固液比1∶10、秸稈粉碎目數(shù)40～60、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，微波時(shí)間10 min、功率130 W。在此條件下進(jìn)行秸稈降解可以得到秸稈降解的產(chǎn)糖率為21.75%、降解率為50%。

2.2 秸稈反應(yīng)前后成分含量及比表性質(zhì)的變化

采用NREL法對(duì)原秸稈與最適條件反應(yīng)后的秸稈進(jìn)行測定，分析秸稈中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的成分含量變化，利用比表面積分析儀測定反應(yīng)前秸稈與最適條件反應(yīng)后秸稈的比表面積及孔徑，比較結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)前后秸稈中成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比表性質(zhì)的變化

由表2可以看出，秸稈在最佳條件下微波輔助酸反應(yīng)后，半纖維素完全降解，纖維素也降解了一部分，由原來的37.6%降到24.43%，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，這是由于微波輔助酸對(duì)木質(zhì)素沒有影響，半纖維素與纖維素含量減少，使得木質(zhì)素含量相對(duì)增加。而反應(yīng)后秸稈的比表面積及孔體積、孔徑都有所增大，這是由于微波輔助酸完全降解了半纖維素及降解了部分的纖維素，打破了木質(zhì)纖維素之間的緊密結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)變得疏松，孔隙增多，從而使秸稈的比表面積、孔體積和孔徑都增大。

2.3 反應(yīng)前后秸稈的SEM圖比較

將未反應(yīng)的秸稈和經(jīng)微波輔助酸最適條件處理后的秸稈，采用JSM-5900型掃描電子顯微鏡進(jìn)行表征，觀察反應(yīng)前后秸稈表面的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)變化。秸稈的掃描電鏡圖見圖5。

A：反應(yīng)前

B：反應(yīng)后

如圖5所示，由電鏡掃描圖A和B可以看出，反應(yīng)前A圖中秸稈表面結(jié)構(gòu)緊密，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)清晰、連續(xù)、有條理。而最適條件下反應(yīng)后B圖中秸稈表面疏松、凹凸不平，反應(yīng)后秸稈的立體結(jié)構(gòu)受到破壞，表面產(chǎn)生很多空隙，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也消失、斷裂，呈無規(guī)則形態(tài)。這是由于微波輻射導(dǎo)致秸稈中的水分子吸收能量而產(chǎn)熱，使細(xì)胞內(nèi)溫度上生，液態(tài)水氣化產(chǎn)生的壓力將細(xì)胞膜和細(xì)胞壁沖破，形成小孔，繼續(xù)加熱細(xì)胞內(nèi)的水分減少，細(xì)胞收縮，表面出現(xiàn)孔洞和裂紋[16]。微波輔助酸降解秸稈時(shí)，秸稈的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞，半纖維素被完全降解，纖維素則部分降解，同時(shí)纖維素內(nèi)部的氫鍵被打開，有效降低了其結(jié)晶度，這些對(duì)后續(xù)秸稈的充分利用具有重要的影響。

3 結(jié)論

采用微波輔助酸法降解稻草秸稈，利用單因素法考察了產(chǎn)糖率與降解率的影響因素，得到最適反應(yīng)條件：功率為130 W，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，固液比為1∶10，反應(yīng)時(shí)間為10 min，此時(shí)產(chǎn)糖率最高為21.75%，降解率為50%。在最適條件下對(duì)反應(yīng)后的物料進(jìn)行了表征分析，結(jié)果表明微波輔助酸法破壞了秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了纖維素的結(jié)晶度，在一定程度上提高了動(dòng)物對(duì)秸稈的消化率。

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(責(zé)任編輯：梅竹)

Saccharificationproductionofstawsbymicrowave-assistedacidpretreament

ZHU Li-yan,YANG Xiao-rui,WANG Wei,LIANG Jin-hua,ZHU Jian-liang

(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211800,China)

To improve the utilization rate of the rice straw material,the straw was degraded using microwave assisted sulfated acid method,the effects on the sugar yield and degradation yield were investigated of the microwave radiation time,power,sulfuric acid content and solid-liquid ratio of straw by single factor method.The results showed that the optimal reaction conditions were as follows:the solid-liquid ratio was 1∶10 (mass ratio),the sulfuric acid mass fraction was 20%,the microwave power was 130 W,and the reaction time was 10 min.Under the conditions,the sugar yield of straw was 21.75%,the degradation rate of straw was 50%.Compared with the conventional method,microwave shortened the reaction time,improved the utilization of raw materials.Scanning electron microscopy (SEM) and specific surface and pore size analysis of straw degradation revealed that the surface structure of straw was destroyed and the specific surface area and pore size were both increased.

straw;hydrolysis;microwave-assisted;dilute sulfuric acid;sugar yield;degradation rate

S816.5

：A

：1003-6202(2017)09-0056-05

2017-05-16；

2017-07-19

朱李妍(1990-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.09.014